專利名稱：半導體器件及其制造方法和其中所用的半導體器件的襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及備有藍寶石、SiC、GaN等襯底本體，和在該襯底本體的一個表面上直接或通過緩沖膜形成的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜的半導體器件及其制造方法和用于這種半導體器件的襯底。
作為上述半導體器件，已知發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、場效應晶體管(FET)等半導體器件，特別是在發(fā)光二極管中，通過在藍寶石、SiC、GaN等襯底本體的表面上直接或通過緩沖膜外延生長形成AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。由于這種AlxGayInzN膜的能帶間隙大，因而在作為發(fā)光器件的情況下，可發(fā)射波長短的光。


圖1是展示采用AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜發(fā)射藍色光的發(fā)光二極管的一例結(jié)構(gòu)剖面圖。例如，在由c面的藍寶石(Al2O3)構(gòu)成的襯底本體1的表面上，通過低溫MOCVD形成起緩沖層作用的GaN膜2，構(gòu)成襯底，然后在該GaN膜2上通過MOCVD外延生長形成n型AlxGayInzN膜3，在其上通過MOCVD外延生長形成p型AlxGayInzN膜4，并且在該p型AlxGaylnzN膜4上通過相同的MOCVD外延生長形成低電阻的p型AlxGayInzN膜5。分別在n型AlxGayInzN膜3的表面和p型AlxGayInzN膜5的表面上形成電極6和7。
當制造這種發(fā)光二極管時，在由藍寶石襯底本體1和緩沖膜2構(gòu)成的襯底上，首先形成n型AlxGayInzN膜3。在這種情況，在1000℃以上的高溫下，穩(wěn)定并均勻地控制襯底表面溫度這一點，在實現(xiàn)AlxGayInzN膜3的結(jié)晶性和表面平坦性方面是重要的，已對均熱性高、熱效率好的加熱器結(jié)構(gòu)和材料進行了研究。并且，以改善AlxGayInzN膜的結(jié)晶性和表面平坦性為目的，插入起緩沖層作用的低溫成膜的GaN膜2也是重要的。已提出，在低溫成膜的AlN膜和襯底表面之間插入氮化層作為緩沖膜，來代替這種GaN膜2。
本發(fā)明提供一種半導體器件，該半導體器件備有藍寶石、SiC、GaN、AlGaN/藍寶石等襯底本體和在該襯底本體的一個表面上直接或通過緩沖膜形成的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜，但例如在藍寶石襯底上用CVD形成AlxGayInzN膜時，不能利用壓力、氣體流量等成膜條件，有效地把襯底表面加熱到期望的溫度，結(jié)果，結(jié)晶性惡化，表面平坦性變差。此外，不能均勻地加熱襯底表面，在襯底內(nèi)結(jié)晶性或表面平坦性變得不均勻。
特別是，在形成富鋁(alumirich)的AlxGayIn2N(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜的情況，上述問題顯得明顯。作為第一個原因，可例舉出必需使大部分為氣體載體(H2、NH3)的全氣體流量以大約1升/分以上的流量快速流動，并且在大約100乇以下的負壓下。其目的在于，降低氣相中分子的碰撞率，抑制氣相中鋁原料(TMA)和N原料的反應。
并且，作為第二個原因，可例舉出在c面藍寶石襯底本體上形成富鋁的AlxGayInzN(x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0)膜的情況下，例如，要求加熱到使襯底本體的表面溫度達到1100℃以上的高溫。這是促進襯底本體表面中的橫方向生長，成膜優(yōu)異、平坦性的良好富鋁的AlxGayInzN(x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0)膜的必要條件。
如上所述，經(jīng)過CVD裝置，使氣體高流速流動且在負壓下進行CVD時，在用加熱器加熱襯底本體的情況下，從襯底本體散發(fā)的熱量變大，本文來自加熱器的熱量不能充分地傳遞至襯底本體表面，必需將加熱器溫度設(shè)定在比襯底本體表面設(shè)定溫度高100℃以上的高溫。因此，加熱器的負載增大，存在加熱器性能變壞、壽命變短的問題。此外，還存在不能均勻地加熱襯底表面的問題。
其中，如果考慮由加熱器引起的襯底本體的加熱機理，那么可考慮通過加熱器與襯底本體直接接觸的熱傳導、通過環(huán)境氣體的熱傳導和輻射這三個因素。其中，一般認為，如果使CVD裝置內(nèi)成為負壓，那么就不能高效率地進行通過氣氛氣體的熱傳導加熱。此外，藍寶石襯底本體等的襯底本體是透明的，不吸收紅外線，因而認為幾乎不能通過輻射來加熱。從而，利用加熱器進行的加熱只是通過加熱器與襯底本體之間的基座的熱傳導，由于基座與襯底本體之間的接觸面不夠平坦，故不能充分地進行熱傳導。并且，因上述全氣體流量為大約1升/分以上的快速流量，熱量釋放劇烈，因而認為僅僅利用不充分的熱傳導，不能把襯底本體表面加熱到預定溫度。此外，由于襯底加熱時襯底翹曲，襯底和基座不能均勻地接觸，也不能均勻地加熱襯底表面。
上述趨勢不僅在使用藍寶石襯底的情況，而且在采用SiC襯底或GaN襯底的情況下也同樣可觀察到。特別是，從500～2000nm波長范圍的可見光至近紅外區(qū)域的透明襯底本體中，該趨勢變得更顯著。這樣，以往技術(shù)中，在氣體流量大的情況下，或在壓力低的情況下，或在成膜溫度更高的情況下，不能高效率并且均勻地加熱襯底本體表面，不能獲得結(jié)晶性或表面平坦性良好的AlxGayInzN膜。此外，還存在加熱器的負載大，加熱器壽命變短的問題。
因而，本發(fā)明的目的在于提供一種在藍寶石襯底、SiC襯底、GaN襯底等襯底本體的表面上具有通過外延生長成膜的缺陷少、結(jié)晶性好同時表面平坦性好的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜的半導體器件。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種能夠高效、并且通過加熱器也能高效地加熱襯底本體的制造半導體器件的方法，其中該半導體器件包括具有上述良好特性的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。
本發(fā)明的又一個目的在于提供一種能夠有利地用于在藍寶石襯底、SiC襯底、GaN襯底等襯底本體的表面上具有通過緩沖膜外延生長的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜的半導體器件的制造的半導體器件的襯底。
按照本發(fā)明的半導體器件，其特征在于具備藍寶石、SiC、GaN等襯底本體，在該襯底表面上直接或通過緩沖膜外延淀積的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜和覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜。
在這樣的本發(fā)明的半導體器件中，所述襯底本體最好由在400～800nm的波長范圍內(nèi)透光率為50％以上的材料形成。此外，覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜最好用熔點在約1200℃以上的高熔點金屬例如鎢、鉬、鉭、鈦、鈹和錳等形成。
在本發(fā)明的半導體器件中，在所述襯底本體表面上外延淀積的AlxGayInzN膜最好為x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0的富鋁膜。并且，所述緩沖膜最好為外延淀積的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。
按照本發(fā)明的半導體器件的制造方法，其特征在于把其背面覆蓋金屬膜的藍寶石、SiC、GaN、AlGaN/藍寶石等襯底本體放入CVD裝置內(nèi)，以便用加熱器從其背面加熱，使原料氣體與氣體載體一起經(jīng)該CVD裝置流動，在襯底本體表面上直接或通過緩沖膜外延淀積AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。
在這樣的本發(fā)明的半導體器件的制造方法中，最好在所述CVD裝置中流動的全氣體流量為大約1升/分以上，在襯底本體表面上外延淀積AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。此外，所述CVD裝置內(nèi)的壓力最好為約100乇以下，在襯底本體表面上直接或通過緩沖膜外延淀積AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。特別是，這些條件在形成Al含量為50原子％以上(x≥0.5)的所述AlxGayInzN膜時特別合適。
并且，在上述襯底本體的背面上覆蓋熔點大約為1200℃以上的高熔點金屬膜，例如鎢、鉬、鉭、鈦、鈹和錳等金屬膜。
按照本發(fā)明的半導體器件的襯底，用于具備藍寶石、SiC、GaN等襯底本體和在該襯底表面上直接或通過緩沖膜外延淀積的至少一層AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜的半導體器件中，其特征在于所述襯底包括藍寶石、SiC、GaN等襯底本體、在該襯底表面上外延淀積的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜和覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜。
在這樣的本發(fā)明的半導體器件的襯底中，所述襯底本體最好由在400～800nm的波長范圍中透光率為50％以上的材料形成。并且，覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜最好用熔點在約1200℃以上的高熔點金屬形成，例如由鎢、鉬、鉭、鈦、鈹和錳等形成。此外，在所述襯底本體表面上外延淀積的緩沖膜最好由AlxGayInzN(x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0)的富鋁膜形成。
按照這樣的本發(fā)明的半導體器件及其制造方法和用于這種半導體器件的襯底，在所述襯底本體的背面上覆蓋金屬膜，用襯底從該背面加熱，因而通過金屬膜熱傳導，同時金屬膜還吸收紅外線，因而通過輻射進行加熱，可高效率地把襯底本體表面的溫度加熱到期望的溫度，從而能夠穩(wěn)定且均勻地外延生長結(jié)晶性良好、平坦性優(yōu)異的AlxGayInzN膜，使加熱器的負載減輕，壽命延長。
圖1是展示以往的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是展示本發(fā)明的半導體器件結(jié)構(gòu)的一例的剖面圖。
圖3是展示襯底表面溫度與成膜氣氛壓力之間關(guān)系的曲線圖。
圖4a、4b和4c是展示本發(fā)明的半導體器件的制造方法一例的順序工序的剖面圖。
圖2是展示本發(fā)明半導體器件結(jié)構(gòu)一例的剖面圖。本例的半導體器件構(gòu)成為發(fā)藍色光的發(fā)光二極管，其基本結(jié)構(gòu)與圖1所示相同。即，在c面的藍寶石(Al2O3)的襯底本體11的表面上，通過低溫MOCVD形成起緩沖層作用的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜12，構(gòu)成襯底，然后在該AlxGayInzN膜12上通過MOCVD外延生長形成n型AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜13，在其上通過MOCVD外延生長形成p型AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜14，并且在該p型AlxGayInzN膜14上通過相同的MOCVD外延生長形成低電阻的p型AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜15。分別在n型AlxGayInzN膜13的表面和p型AlxGayInzN膜15的表面上設(shè)置電極16和17。
本發(fā)明中，在藍寶石襯底本體11的背面，形成金屬膜，本例中為高熔點金屬膜鎢膜18。該鎢膜18的厚度在本例中為0.1μm。本發(fā)明中，作為在襯底本體11背面形成的金屬膜，不限于鎢膜18，也可以用在MOCVD外延生長各種AlxGayInzN膜12～15時能夠充分耐受襯底加熱溫度的鉬、鉭、鈦、鈹、錳等高熔點的金屬或合金、氮化膜那樣的熔點在1200℃以上的化合物的金屬膜形成。
圖3是展示襯底表面溫度與成膜氣氛壓力之間關(guān)系的曲線圖。圖3中，氫氣的整個流量為1升/分、基座溫度固定在1150°。實線表示在藍寶石襯底的背面覆蓋Ti膜的情況下，襯底表面溫度與成膜氣氛壓力之間的關(guān)系，虛線表示在沒有覆蓋Ti膜的藍寶石襯底單體的情況下，襯底表面溫度與成膜氣氛壓力之間的關(guān)系。
在任一種情況下，隨著成膜氣氛壓力降低，襯底表面溫度也降低。但是，可以看出，與用虛線表示的不具有Ti覆蓋膜的藍寶石襯底的表面溫度相比，用實線表示的具有Ti覆蓋膜的藍寶石襯底的表面溫度降低的程度較小。例如，可知在成膜氣氛壓力為100乇的情況下，有無Ti覆蓋膜，襯底表面溫度產(chǎn)生100℃以上的差別。
因而，通過在襯底本體的背面形成這種金屬膜，可不依賴于成膜氣氛壓力而把襯底表面溫度經(jīng)常保持在高的狀態(tài)。結(jié)果，例如，可知在成膜氣氛壓力為100乇的情況下，通過設(shè)置Ti覆蓋膜，可把加熱器的設(shè)定溫度降低100℃。
圖4是展示本發(fā)明半導體器件制造方法一例的順序工序的剖面圖。首先，如圖4a所示，在c面藍寶石襯底本體21的一個表面21b(在最后形成的襯底中作為背面，以下稱為背面，其它表面被稱為表面21a)上，通過濺射形成膜厚例如為0.1μm的高熔點金屬膜，在本例中為鎢膜22。
然后，把在該背面21b上覆蓋鎢膜22的藍寶石襯底本體21導入如圖4b所示的MOCVD裝置23中，此時，通過基座24，把形成鎢膜22的背面21b與加熱器25相對地裝載在加熱器上，外延淀積AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)緩沖膜26。用加熱器24加熱藍寶石襯底本體21，而該加熱主要成為通過接觸的熱傳導和通過鎢膜22的輻射的加熱，與以往僅通過接觸的熱傳導相比，可高效率地加熱。而且，對加熱器25減輕了負載，加熱器的壽命可延長，維護變得容易，可降低制造成本。并且，因利用加熱器25的加熱效率提高，因而藍寶石襯底本體21的表面21a的溫度成為期望的溫度。
其中，作為AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)緩沖膜26，特別是在成膜富鋁的AlxGayInzN(x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0)膜的情況下，在MOCVD裝置23中，使H2和NH3的氣體載體與原料氣體一起以全氣體流量為大約1升/分以上那樣流動。再有，在MOCVD裝置23內(nèi)減壓到大約100乇以下。因而，在藍寶石襯底本體21的周圍流過極為快速的氣流，引起大的散熱。本發(fā)明中，由于在藍寶石襯底本體21的背面覆蓋鎢膜22之類的金屬膜，通過熱傳導和輻射可高效率和均勻地加熱襯底本體，因此即使在上述引起大的散熱的情況下，也不對加熱器25提供過度的負載就可把襯底本體表面加熱到期望的溫度，可使成膜的富鋁的AlxGayInzN(x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0)緩沖膜的結(jié)晶性良好同時使平坦性良好。
在上述那樣的藍寶石襯底本體21的表面上，形成AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)緩沖膜26或富鋁的AlxGayInzN(x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0)緩沖膜26，能夠形成用于半導體器件的襯底。并且，在采用這樣的襯底制造半導體器件時，可適當控制供給MOCVD裝置23的原料氣體和氣體載體、壓力、溫度等，如圖4c所示，通過外延生長淀積期望的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜27～29。
本發(fā)明不僅僅限于上述實施例，可以進行許多變更或變形。例如，在上述實施例中，以c面的藍寶石形成襯底本體，也可采用由SiC或GaN、AlGa/藍寶石等形成的襯底本體。此外，在上述實施例中，用鎢膜形成高熔點金屬膜，但也可用鉬或鉭等其它高熔點金屬形成。不用說，還可采用熔點1200℃以上的合金膜和氮化膜及它們的多層膜，進而采用在膜中具有組成梯度的合金膜以及氮化膜等。
在上述實施例中，在100乇的減壓下外延生長AlxGayInzN膜，但也可在常壓下外延生長。并且，在上述實施例中，把本發(fā)明的半導體器件作為發(fā)藍光的發(fā)光二極管，但也可以作為產(chǎn)生其它顏色光或紫外線的發(fā)光二極管、激光二極管、場效應晶體管等其它半導體接合器件。
在上述實施例中，作為用于半導體器件的襯底，為在襯底本體表面上形成AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)緩沖膜或富鋁AlxGayInzN(x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0)緩沖膜的的襯底，但在本發(fā)明的半導體器件及其制造方法中，也有沒有這種緩沖膜的情況。
在上述實施例中，作為CVD裝置，采用用有機金屬作為原料氣體的MOCVD裝置，但也可使用采用氯類氣體的HVPE等其它CVD裝置。
在本發(fā)明的半導體器件的襯底中，在襯底本體的背面形成金屬膜，但一般在其后通過研磨除去該金屬膜，由于在外延生長用襯底的制造后留下，故本發(fā)明的半導體器件的襯底是包含除去了這種金屬膜的襯底。此外，作為襯底本體，采用摻了雜質(zhì)的導電性的GaN襯底本體，在把襯底本體的背面上設(shè)置的金屬膜作為半導體器件電極使用的情況下，將金屬膜留下，但本發(fā)明的半導體器件包含括除去了金屬膜的器件。
如上所述，在本發(fā)明的半導體器件中，因在襯底本體上形成的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜在結(jié)晶性方面良好同時平坦性良好，因而可改善發(fā)光二極管、激光二極管、場效應晶體管等半導體器件的特性。
并且，在本發(fā)明半導體器件的制造方法中，因在襯底本體的背面上覆蓋金屬膜之后進行加熱器的加熱，除熱傳層之外還可通過輻射進行加熱，因而能夠高效率和均勻地加熱襯底本體。再有，加熱器的負載被減輕，加熱器的壽命變長，因而容易維護和降低了制造成本。
在本發(fā)明的半導體器件的襯底中，因在襯底本體上形成結(jié)晶性良好同時平坦性良好的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)緩沖膜，在其上形成的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜的結(jié)晶性也良好同時平坦性也良好，因而能夠提供特性良好的發(fā)光二極管、激光二極管、場效應晶體管等半導體器件。
權(quán)利要求
1．一種半導體器件，其特征在于具備藍寶石、SiC、GaN等襯底本體、在該襯底表面上直接或通過緩沖膜外延淀積的至少一層AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜和覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜。
2．如權(quán)利要求1所述的半導體器件，其特征在于覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜由熔點在約1200℃以上的高熔點金屬形成。
3．如權(quán)利要求1或2所述的半導體器件，其特征在于所述襯底本體由在400～800nm的波長范圍中的透光率為50％以上的材料形成。
4．如權(quán)利要求1至3中任一項所述的半導體器件，其特征在于在所述襯底本體表面上外延淀積的AlxGayInzN膜的至少一層具有x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0構(gòu)成的成分。
5．如權(quán)利要求1至4中任一項所述的半導體器件，其特征在于所述緩沖膜用在襯底本體表面上外延淀積的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜形成。
6．一種半導體器件的制造方法，其特征在于把在其背面覆蓋了金屬膜的藍寶石、SiC、GaN、AlGaN/藍寶石等襯底本體放入CVD裝置內(nèi)，以便用加熱器從其背面起加熱，一邊使原料氣體與氣體載體一起經(jīng)該CVD裝置流動，一邊在襯底本體表面上直接或通過緩沖膜外延淀積AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。
7．如權(quán)利要求6所述的半導體器件的制造方法，其特征在于在所述CVD裝置中流動的全氣體流量為大約1升/分以上，在襯底本體表面上外延淀積AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。
8．如權(quán)利要求6或7所述的半導體器件的制造方法，其特征在于所述CVD裝置內(nèi)的壓力為約100乇以下，在襯底本體表面上直接或通過緩沖膜外延淀積AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜。
9．如權(quán)利要求6至8中任一項所述的半導體器件的制造方法，其特征在于所述AlxGayInzN膜中的Al含量為50原子％以上(x≥0.5)。
10．如權(quán)利要求6至9中任一項所述的半導體器件的制造方法，其特征在于在所述襯底本體的背面上覆蓋熔點大約為1200℃以上的高熔點金屬膜。
11．一種半導體器件的襯底，用于具備藍寶石、SiC、GaN等襯底本體和在該襯底表面上直接或通過緩沖膜外延淀積的至少一層AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜的半導體器件中，其特征在于所述襯底包括藍寶石、SiC、GaN等襯底本體、在該襯底表面上外延淀積的AlxGayInzN(x+y+z=1,x、y、z≥0)膜和覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜。
12．如權(quán)利要求11所述的半導體器件的襯底，其特征在于覆蓋在所述襯底本體背面的金屬膜用熔點在約1200℃以上的高熔點金屬形成。
13．如權(quán)利要求11或12所述的半導體器件的襯底，其特征在于所述襯底本體由在400～800nm的波長范圍中的透光率為50％以上的材料形成。
14．如權(quán)利要求11至13中任一項所述的半導體器件的襯底，其特征在于在所述襯底本體表面上外延淀積的AlxGayInzN膜的至少一層具有x+y+z=1,x≥0.5,y、z≥0的組成的成分。
全文摘要
把在背面21b上形成高熔點金屬膜22的藍寶石襯底本體21導入MOCVD裝置23中，通過基座24使高熔點金屬膜與加熱器25相對地在減壓下形成Al
文檔編號H01L21/205GK1316783SQ01116499
公開日2001年10月10日 申請日期2001年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月24日
發(fā)明者柴田智彥, 淺井圭一郎, 長井晃余, 田中光浩 申請人:日本礙子株式會社